不同降雨特性对坡面产流产沙过程的影响

【摘要】本研究基于目前土壤侵蚀机理研究存在的不足,利用小尺度人工降雨物理模型、物理概念的分布式水文模型、及统计学方法,以小尺度黄土质坡面为研究对象,整合一系列降雨特性组合展开试验,对黄土地区土壤侵蚀过程中的降雨／产流／侵蚀响应特性进行了剖析和探讨。主要内容如下：(1)基于以往进行的不同降雨特性组合下的坡面降雨产流／土壤侵蚀物理模型比对试验,对详细记录的降雨产流／土壤侵蚀过程中系统内的土壤含水量、地表水流含沙量、水流含沙级配等参数在空间／时间尺度上的变化过程进行了统计分析,认为本研究中小尺度物理模型实验能够较理想地描述水文响应过程。(2)IntegratedHydrologyModel(InHM)能有效模拟产流／土壤侵蚀过程,根据实测数据模拟获得表层土渗透系数值,不仅揭示了降雨过程表层土物理特性的变化规律,也突显了InHM模型相比传统水文模型的优越性。(3)分析不同降雨特性对坡面产流特性的影响,发现降雨过程中表层土发生显著的结皮现象,降雨特性对结皮结构影响较大,尤其是降雨沿坡面移动方向不同,影响结皮发育类型,进而影响产流阶段特性。结皮发育是土壤孔隙度变小、下渗减少、产流时间提前、产流量增大,产流阶段改变的重要原因。(4)通过观察侵蚀特征数据,发现随结皮发育及地表径流的持续发生,土壤侵蚀现象显著,各连续降雨过程中土壤侵蚀量普遍逐场递减。移动降雨条件下,总产沙量主要由降雨量和径流发生阶段决定；而峰值产沙量受降雨移动方向影响显著。(5)侵蚀颗粒粒径分析显示,粉粒泥沙最易被侵蚀,而降雨移动方向对侵蚀成分的影响仅在降雨初期较明显。总体上,降雨任意阶段侵蚀泥沙成分含量(粘粒、粉粒、砂粒)始终保持一种特定的数值比例。(6)通过分析等效泥沙浓度时空分布特性,发现降雨移动方向和降雨强度对其的影响最关键。且将其作为坡面降雨事件发生极端情况的参考依据,相比传统上仅考虑产流量或侵蚀量,等效泥沙浓度阐释的是单位体积径流的挟沙能力,具有较大工程应用意义。本研究还对土壤侵蚀机理关于等效泥沙浓度的内容进行了完善。(7)验证了基于软件SPSS(StatisticalPackagefortheSocialSciences)的典型相关分析方法CCA(CanonicalCorrelationAnalysis)对坡面降雨／产流／侵蚀过程机理具有良好的解释性,尤其针对降雨向下移动工况。结果显示坡面响应过程可分解为溅击侵蚀与冲刷侵蚀过程,其主导驱动力分别为降雨强度与降雨量。且各降雨特性因子与坡面响应特性因子之间的关联性均能在分析结果中被较全面的解释。(8)通过设置坡面上方不同区域的降雨／产流／侵蚀事件,发现降雨离出口处距离不同,对峰值产沙量和产流量相关性,及总产沙量和降雨强度相关性等具有不同程度的影响；同时还造成等效泥沙浓度过程曲线及侵蚀颗粒组分较大差异性。
【作者】史致男；
【导师】冉启华；
【作者基本信息】浙江大学，水工结构工程，2014，博士
【关键词】降雨特性；产流；侵蚀；结皮；移动降雨；InHM；降雨位置；CCA；

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